JP3132180B2 - 構造物疲労寿命予知センサー - Google Patents

構造物疲労寿命予知センサー

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JP3132180B2 JP04228940A JP22894092A JP3132180B2 JP 3132180 B2 JP3132180 B2 JP 3132180B2 JP 04228940 A JP04228940 A JP 04228940A JP 22894092 A JP22894092 A JP 22894092A JP 3132180 B2 JP3132180 B2 JP 3132180B2
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暢 飯野
勲 根木
理 後川
明俊 安東
英明 畳
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石川島播磨重工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、構造物疲労寿命予知セ
ンサーに係り、特に、橋梁、船舶等の大型溶接構造物に
おける材料の疲労被害蓄積の度合を検出し、該溶接構造
物の重大な損傷を未然に防止する技術に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】橋梁、船舶等の大型溶接構造物にあって
は、車両の通行や波のうねり等によって、時間とともに
大きさの変化する荷重を受ける。このため、構造物を形
成する金属材料に疲労が蓄積し、亀裂の発生や、破断等
の重大な損傷を受けることがある。
【0003】一般に、このように経時変化する繰返し荷
重を受ける構造物にあっては、疲労を見込んだ強度設計
がなされている。しかしながら、設計時に考慮された荷
重の大きさや頻度に過誤があったり、応力計算の精度が
不十分であったりすると、設計応力よりも厳しい応力条
件下において疲労被害が進行する可能性がある。
【0004】このように高応力下におかれる部材の疲労
損傷を防止するためには、従来、応力集中の発生する部
分の近傍において、歪ゲージ等による計測を実施し、実
働状態における疲労被害を評価する方法が採用されてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、この
ような方法であると、該計測手段に接続するケーブル
や、計測手段によって計測されたデータを解析・保存す
るための装置等を接続しなければならないために疲労検
査装置全体が大規模になるとともに、風雨に晒される環
境下においては、該検査装置を長期間に亘って健全な状
態に維持することが困難であった。
【0006】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
のであって、繰返し荷重が作用する構造物の疲労被害を
早期に検出し、疲労損傷を防止する構造物疲労寿命予知
センサーを提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、構造物の応力集中発生位置近傍の表面
に、応力の力線の方向に沿って密接状態に取り付けられ
構造物に作用する荷重を受ける2つの固着部と、該固着
部の間に配され固着部より小さい断面積を有する帯板状
応力検出部とを具備し、固着部と応力検出部との間
に、固着部と応力検出部とを連結し固着部から応力検出
部までの応力値を漸次増大させる変断面部が形成され、
変断面部の形状を調整することにより、応力検出部に発
生する応力の大きさが調整され、設定された応力拡大量
に基づいて、変断面部及び応力検出部が、構造物の疲労
寿命より短い疲労寿命となる形状寸法に形成されている
構造物疲労寿命予知センサーを提案している。
【0008】
【作用】本発明に係る構造物疲労寿命予知センサーにあ
っては、構造物に荷重が作用して応力が発生すると、そ
の応力集中位置の近傍に取り付けられた予知センサーの
応力検出部において、構造物に作用する荷重と同じ変動
パターンの繰返し荷重が作用することになる。したがっ
て、構造物の疲労被害の度合を本予知センサーの応力検
出部の亀裂の発生または伝播の有無によって判断するこ
とが可能となる。この場合に、構造物に取り付けられる
固着部と、応力を検出する応力検出部との間には、応力
を漸次拡大する変断面部が形成されているので、該変断
面部の形状を適宜調整することにより、応力検出部に発
生する応力の大きさが任意に調整される。そして、該変
断面部および応力検出部の形状を調整して、応力検出部
における疲労寿命が構造物の疲労寿命より短くなるよう
に設定されているので、構造物の疲労寿命を予知するこ
とが可能となる。
【0009】
【実施例】本発明に係る構造物疲労寿命予知センサーに
ついて、以下に説明する。この構造物疲労寿命予知セン
サー(以下、単に寿命予知センサーという)は、構造物
の受ける実働荷重情報(例えば、応力の大きさ、頻度、
履歴等)を直接計測することなく、構造物の受けている
疲労被害の状況を評価するための装置であって、次のよ
うな理論に基づいている。
【0010】すなわち、一般に疲労寿命は、構造物に作
用する負荷応力の範囲ΔSoと寿命Noとの関係式、 ΔSo=A×No B ・・・・・・・・(式) によって与えられる。ここで、AおよびBは、構造物の
材料・形状等によって決まる定数である。
【0011】ここで、前記式を利用して構造物の疲労
寿命を予知する寿命予知センサーを構成するには、構造
物と前記式における定数AおよびBが同一、つまり、
原則的には同一の材料を使用し、かつ、同等の応力集中
を発生させる形状を寿命予知センサーにおいて実現すれ
ば、寿命予知センサーにおいて上記式を適用すること
が可能となる。さらに、構造物の疲労寿命と比較して寿
命予知センサーの疲労寿命を小さく設定する(このよう
にしてこそ、予知センサーとしての意義がある)には、
寿命予知センサーに付与される負荷応力範囲および寿命
をそれぞれΔSs、Nsとすると、関係式、 ΔSs=A×Ns B=A×(K×NoB ・・・・・・・・(式) となる定数K(寿命予知センサーと構造物との寿命比
(<1))を設定することができ、該定数Kを利用し
て、 ΔSs=KB×ΔSo ・・・・・・・・(式) となる負荷応力範囲ΔSsを実現すればよいことにな
る。なお、式において、 KB=η ・・・・・・・・(式) は、応力拡大量と称される。
【0012】例えば、ある部材(B=−0.25)の寿
命を1/5程度の早期に予知するためには、式に、K
=1/5を与えることにより、応力拡大量をη=1.5
とする。これに基づいて、後述する変断面部および応力
検出部の形状を調整し、寿命予知センサーに発生する応
力を溶接構造物に発生する応力の1.5倍とすることに
より、寿命予知センサーの疲労寿命を1/5に設定する
ことができることになる。
【0013】このように構成した寿命予知センサーに構
造物に作用する負荷荷重と同一の負荷荷重を作用させる
ことにより、つまり、構造物の疲労被害が発生し易い位
置に該寿命予知センサーを取り付けて、定期的に監視す
ることにより、構造物に疲労による損傷が発生する前
に、該構造物の疲労被害蓄積の度合を検出することがで
きるものと考えられる。
【0014】上記理論に基づいて構成された、本発明に
係る構造物疲労寿命予知センサーの一実施例を図1およ
び図2を参照して説明する。これら各図において、符号
1は溶接構造物(構造物)、2は寿命予知センサー(構
造物疲労寿命予知センサー)、3は固着部、4は応力検
出部、5は応力拡大孔、6は変断面部、7は溶接部であ
る。
【0015】本実施例の寿命予知センサー2は、帯板状
に形成されており、その両端に、橋梁・船舶等の溶接構
造物1の表面に密接状態に固着される固着部3が設けら
れている。該固着部3の間には、溶接構造物1と比較し
て断面積の小さい応力検出部4が形成され、その中央位
置には、応力拡大孔5が形成されている。該応力拡大孔
5は、例えば、応力検出部4を貫通状態として形成され
た円形孔であって、疲労亀裂が発生すると思われる溶接
構造物1の部位と同等の応力集中係数を有する形状寸法
に形成されている。
【0016】一方、応力拡大孔の寸法を調整することに
より、溶接構造物より厳しい応力状態を作り出すことが
できるため、この寸法を調整して任意の疲労寿命に設定
することもできる。
【0017】また、溶接構造物1との固着部3と、応力
検出部4との間には、固着部3から応力検出部4に向か
って一定勾配で板厚を縮小しつつ、固着部3と応力検出
部4とを連結する変断面部6が設けられている。該変断
面部6は、その長手方向に沿う長さ寸法を調整すること
(つまり、勾配を調整すること)により、前記応力拡大
孔5の周囲に形成される応力状態を変化させることがで
きるようになっている。
【0018】さらに、これを利用して、変断面部の板厚
を一定とすることにより、構造物と同じ応力集中を有す
る応力拡大孔近傍の疲労寿命を該構造物と同等に設定す
ることもできるようにもなっている。
【0019】このように構成された寿命予知センサー2
を使用する場合について、以下に説明する。
【0020】溶接構造物1が負荷を受けることにより、
溶接構造物1の溶接部7に応力集中が発生する。ここに
寿命予知センサー2を適用するには、溶接構造物1にお
いて疲労による損傷発生が想定される部位(例えば、図
2に示す溶接部7近傍)を代表する公称応力場に、その
力線の方向に沿って寿命予知センサー2の両端に形成さ
れた固着部3を、例えば、接着剤によって固着する。
【0021】このとき、溶接構造物1に固着した寿命予
知センサー2には、溶接構造物1に発生する応力と比較
して応力拡大量ηだけ拡大された同一の変動パターンの
応力が発生することになる。しかも、応力検出部4は、
図1に示す固着部間隔寸法L1と応力検出部長さ寸法L2
との寸法比、あるいは、板厚、断面形状等を調整するこ
とにより、応力の大きさが拡大され、溶接構造物1より
短い疲労寿命となるように設定されているので、溶接構
造物1よりも早い寿命(1/5程度の寿命)で亀裂等の
疲労損傷が発生することになる。
【0022】したがって、寿命予知センサー2を定期的
に点検することにより、溶接構造物1の疲労損傷よりも
早い時期に、溶接構造物1の受けた疲労被害の度合を検
出することができ、しかも、設定された寿命予知センサ
ー2の推定寿命と比較することにより、溶接構造物1に
おける疲労による被害蓄積の度合を推定することができ
ることになる。そして、この推定疲労被害度に基づいて
溶接構造物1の補強の必要性を検討することができると
ともに、溶接構造物1の疲労被害度が厳しいものである
ときには、なんらかの補強を施すことにより、溶接構造
物1自体の疲労損傷を未然に防止することができるもの
である。
【0023】〈他の実施態様〉なお、本発明の構造物疲
労寿命予知センサー2にあっては、以下の技術を採用す
ることができる。 寿命予知センサー2を溶接構造物1の表面に接着剤
により固着することとしたが、これに代えて、スポット
溶接、ボルト締結等によって取り付けること。 応力拡大孔5を円形孔としたが、構造物の評価対象
部と等しい応力拡大量となるような任意の切欠形状とす
ること。 応力検出部4の疲労寿命を溶接構造物1の1/5程
度としたが、これに代えて、応力検出部4の長さ寸法お
よび変断面部6の寸法調整によって、任意の倍率の疲労
寿命に設定すること。 疲労寿命が溶接構造物1の1/5程度の寿命予知セ
ンサー2を溶接構造物1の表面に1箇所取り付けること
としたが、これに代えて、疲労寿命の倍率の異なる複数
の寿命予知センサー2を取り付けること。
【0024】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る構造物
疲労寿命予知センサーにあっては、構造物の表面に応力
の力線の方向に沿って取り付けられる2つの固着部と、
その間に配され固着部より小さい断面積を有する帯板状
応力検出部とを具備し、固着部と応力検出部との間
に、両者を連結し応力値を漸次増大させる変断面部が形
成され、変断面部の形状を調整することにより、応力検
出部に発生する応力の大きさが調整され、設定された応
力拡大量に基づいて、変断面部及び応力検出部が、構造
物より短い疲労寿命となる形状寸法に形成されているの
で、以下の効果を奏する。 (1) 構造物に取り付けた寿命予知センサーを定期的
に点検するだけで、構造物の疲労の度合を検出すること
ができるので、複雑かつ高価な計測・評価システムを設
置する必要がなく、その保守等に要する労力を低減し
て、信頼性を向上することができる。 (2) 構造物疲労寿命予知センサーの疲労被害が構造
物より早期に検出されるので、構造物の疲労被害をその
発生前に予知することができ、補強等を施して構造材の
疲労損傷を未然に防止することができるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る構造物疲労寿命予知センサーの一
実施例を示す斜視図である。
【図2】図1の構造物疲労寿命予知センサーの使用例を
示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 溶接構造物(構造物) 2 寿命予知センサー(構造物疲労寿命予知センサー) 3 固着部 4 応力検出部 5 応力拡大孔 6 変断面部 7 溶接部 L1 固着部間隔寸法 L2 応力検出部長さ寸法
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安東 明俊 東京都江東区豊洲二丁目1番1号 石川 島播磨重工業株式会社 東京第一工場内 (72)発明者 畳 英明 愛知県知多市北浜町11番1号 石川島播 磨重工業株式会社 愛知工場内 (56)参考文献 特開 昭60−209137(JP,A) 特開 平5−113390(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01M 19/00 G01L 1/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 構造物の応力集中発生位置近傍の表面
    、応力の力線の方向に沿って密接状態に取り付けられ
    2つの固着部と、該固着部の間に配され固着部より小
    さい断面積を有する帯板状の応力検出部とを具備し、固
    着部と応力検出部との間に、固着部と応力検出部とを連
    結し固着部から応力検出部までの応力値を漸次増大させ
    る変断面部が形成され、変断面部の形状を調整すること
    により、応力検出部に発生する応力の大きさが調整さ
    れ、設定された応力拡大量に基づいて、変断面部及び
    力検出部が、構造物の疲労寿命より短い疲労寿命となる
    形状寸法に形成されていることを特徴とする構造物疲労
    寿命予知センサー。
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